纳米仿生材料

纳米材料学

内容纲要

z 5.1 仿生材料学z 5.2 纳米仿生材料纳米仿材料

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5.1.1 仿生学材料学的提出

1960年9月J.Steele 正式提出了仿生学的概念，即模仿生物系统的原理来建造技术系统或使人造技术系统具有或类似于仿生学：Bionics

统的原理来建造技术系统，或使人造技术系统具有或类似于生物系统表征的科学。

最早的仿生学侧重神经细胞感知器官的研究近年来最早的仿生学侧重神经细胞、感知器官的研究；近20年来，人们成功地把木、骨和韧带的力学性能及其结构应用到聚合物和复合材料等方面。对仿生学的研究不再局限在细胞、电、磁等方面，已扩展为一个涉及面广的学科。

仿生材料学是仿生学在材料科学中的分

支，是一个新型的交叉学科，包括材料

科学与工程、分子生物学、生物化学、

物理及其他学科。

5.1.1 仿生学材料学的提出

仿生材料学：Biomimetic Materials Science

Materials Science

仿生材料学：从分子水平上研究生物材料的结构特点、构效关系从而研发出类似或优于原生物材料的门新兴学科关系，从而研发出类似或优于原生物材料的一门新兴学科，是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。

原理向生物学模仿或取得启示仿造具有生物z——向生物学习，模仿或取得启示，仿造具有生物结构、特点和功能的新学科。仿生是方法

z结构仿生——可降解的肽键，氢

键，自组装结构，分级结构，优

化的结构等）

z功能仿生——催化，传输过程，

分子识别等）

5.1.2 仿生材料学的研究内容

从Bionics到Biomimetics，研究的范围及影响已得到充分扩展。人们充分利用经过一万年进化所造就的种种优良结构形式及生化过程，学习他们高效率地利用原材料及空间的精神和能力等。

5.1.2 仿生材料学的研究内容

仿生材料是受生物启发或模拟生物的各种特效而开发的材料。

材料的仿生包括模仿天然生物材料的成分和结构特征的成分、结构仿生、模拟生物体中形成材料的过程和加工制备仿生、模仿生物体系统功能的功能仿生。

z结构生物材料的物理和化学分析，以便更好地理解其结构的设计和性能；

z直接模仿生物体进行的材料制备与开发；

z利用生物加工技术制备材料的力学行为分析；

z在模仿过程中受到启发，以所得到的结构、化学等新概念，进行新型合成材料的设计；

z仿生材料和结构在新领域中的应用，如在机器人和航空结构等方面；z在生物的结构力学分析指导下，对现有结构设计进行优化；

z生物材料及结构在进化过程中，所用设计标准的分析；

模仿生物体进行的某些系统的开发，如超灵敏度机械接收器。

5.1.2 仿生材料学的研究内容成分和结构仿生举例贝壳仿生材料成分和结构仿生举例——贝壳仿生材料

5.1.2 仿生材料学的研究内容

成分和结构仿生举例蜘蛛仿生材料

成分和结构仿生举例——蜘蛛丝仿生材料

•蛛丝（蛋白质纤维）是世界上最坚韧

的纤维材料杜邦公司利用基因技术

的纤维材料。杜邦公司利用基因技术，

已制造出具有蛛丝特性的蛋白质并制

具

成纤维，具有更高的强度、韧性和耐

磨性。

•液晶纺丝 1.4万只蜘蛛产出的蛛丝

万只蜘蛛产出的蛛

仅有1盎司（约28.35克）

5.1.2 仿生材料学的研究内容

成分和结构仿生举例蜘蛛仿生材料成分和结构仿生举例——蜘蛛丝仿生材料

蛛丝纺织品（六氟异丙醇溶液）

70名工人花了4年时间收集了100多万只金色球体蜘蛛，而另外十几名工人则从每只蜘蛛身上抽取

了约80英尺（约24.4米）长的蛛丝，纺织成这块11英尺×4英尺的披肩（重1.18kg）

5.1.2 仿生材料学的研究方法

仿生的目的不仅要去模仿生物材料的结构形式还要观察仿生的目的，不仅要去模仿生物材料的结构形式，还要观察、分析生物结构现象，探索其规律，理解其实质，把它应用到现代材料及器件的设计和制备中。

明确目标材料存在的问题；仿生材料学研究的方法应该包括：

z

z

在自然界寻找相关的材料体系，并研究其内部结构、性能的规律，发现其实质，直接或间接地获得灵感，启发人们的思想，建立模型并进行定量计算；z

提出新材料模型，优化材料设计，并用模型材料验证理，，论模型；z 实际制备新材料，若发现问题，进一步仿生，完善所提模型，并据此制备材料，如此反复，直到可应用于实际工程中。

纳米材料以其体积效应和表面效应显著区别于一般的颗粒与传统的块体材料。纳米材料问世以后，仿生材料研究的热点核酸与蛋白质是执行生命功能的重要纳米成分，是最好的天然生物米材料这些成分相作编个复杂与完已开始转向纳米仿生材料。

然生物纳米材料。这些成分相互作用，编织了一个复杂与完美的生物世界。

肾表等都自然界动物的筋、牙齿、软肾、皮、骨骼和昆虫表皮等都是纳米复合材料。很多动植物体内都存在着纳米结构，是仿生学研究的重要方向之一

仿生学研究的重要方向之一。z

5.2.1 仿生特殊浸润性界面材料的研究522z

5.2.2 壁虎仿生粘附材料的研究z

5.2.3 其他纳米仿生材料z

5.2.4 纳米仿生材料的制备5.2.5 纳米仿生材料的应用

5.2.1 植物表面浸润性的仿生研究

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荷叶的基本化学成分是叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的碳水化合物，有丰富的羟基（-OH）、（-NH）等极性基团，1. 荷叶效应碳水化合物，有丰富的羟基（）、（）等极性基团，在自然环境中很容易吸附水分或污渍。而荷叶叶面都具有极强的疏水性，洒在叶面上的水会自动聚集成水珠，水珠的滚动把落在叶上的污粘滚出叶使叶的滚动把落在叶面上的尘土污泥粘吸滚出叶面，使叶面始终保持干净，这就是著名的”荷叶自洁效应”。为什么会有这种”荷叶效应”？